Combustor

De acordo com a metodologia exposta no item 3.2.5, a primeira parte a ser desenvolvida foi o sistema de injeção e nebulização do etanol, necessário à obtenção de uma queima completa e estável do combustível. Subsequentemente, foi construída uma câmara de combustão de dimensões adequadas para conter a chama e canalizar os gases quentes resultantes da combustão.

 Injetor de etanol

Sendo as vazões consideradas no projeto relativamente pequenas foi necessário desenvolver um sistema de injeção e vaporização do etanol especialmente para a aplicação objeto dessa tese. Foram testadas várias soluções em sequência:

 Aerógrafo. Trata-se de um vaporizador de tinta para pintura de precisão. O aerógrafo é alimentado com ar comprimido, que gera um efeito Venturi, aproveitado para aspirar a tinta. A mistura de tinta e ar é subsequentemente ejetada da ponta do aerógrafo. A regulagem da vazão de tinta é obtida movimentando uma agulha que obstrui parcialmente o bico de saída da tinta. Na aplicação do projeto, o etanol é alimentado no lugar da tinta, sendo aspirado pela vazão de ar comprimido. A vazão de etanol foi regulada ao valor desejado deslocando a agulha, que foi subsequentemente bloqueada na posição apropriada. Durante os testes foi possível obter uma vaporização satisfatória do etanol no ar. Foi, todavia, observada uma queda de pressão muito elevada causada pelo aerógrafo no fluxo de ar, em torno de 1 bar. Essa queda de pressão foi considerada excessiva, sendo diretamente relacionada ao consumo energético do soprador utilizado para comprimir o ar. No intuito de reduzi-la, foram feitas outras mudanças no aerógrafo, como a modificação da entrada do ar, mas não foi possível obter um funcionamento satisfatório em termos de eficácia de vaporização e queda de pressão.

 Injetor customizado. A segunda tentativa foi produzir uma peça usinada, com furos de distribuição do ar e para alojar um gigleur para vaporizar o etanol. Depois de alguns testes preliminares essa solução foi também descartada, devido à impossibilidade de achar no mercado um gigleur de dimensões adequadas às vazões.  Pistola para tinta. Esse sistema é muito semelhante à estrutura do aerógrafo, mas é

projetado para vazões maiores. Foram testados diferentes bicos para a pistola, identificando o componente mais adequado para a situação: utilizando esse

equipamento foi possível obter uma nebulização satisfatória do etanol, garantindo ao mesmo tempo uma perda de pressão do ar de cerca 200 mbar. Como consequência, essa foi a solução escolhida para prosseguir às etapas subsequentes.

 Câmara de combustão

Como mencionado no item 3.2.5, a câmera de combustão projetada compreende duas áreas principais:

 Área de vaporização. Nessa parte da câmara acontece a vaporização do etanol nebulizado, graças ao fluxo de calor proveniente da área de combustão. As paredes da câmara permanecem frias durante a operação do combustor, devido ao calor latente de vaporização que o etanol absorve do ambiente ao redor. Na extremidade final da tubulação, logo antes da área de combustão, foi necessário colocar uma rede metálica, com o intuito de distribuir uniformemente o etanol, criando uma mistura homogênea de combustível e comburente capaz de queimar de forma estável. De fato, nos testes sem esse componente evidenciaram-se problemas de instabilidade da chama, com oscilações consideráveis da posição da mesma. Além disso, a rede metálica favorece também a ignição da queima. Foram também inseridos no comprimento da área de vaporização dispositivos de aquecimento, para fornecer o calor necessário à vaporização do etanol em ausência de combustão na câmara, permitindo assim o começo da combustão em condição de combustor frio. No decorrer dos testes verificou-se a impossibilidade de iniciar a combustão sem esses componentes, mas uma vez iniciada a combustão o aquecimento adicional pode ser desligado, sendo o calor necessário à vaporização fornecido pela combustão estável realizada na área de combustão. Os dispositivos empregados para o aquecimento prévio foram velas de preaquecimento de motor diesel, escolhidas pelo baixo preço e a facilidade de aquisição.

 Área de combustão. Essa parte é constituída de uma porção cilíndrica, de diâmetro maior que a área de vaporização, e de dois componentes cônicos, que a conectam de um lado à área de vaporização e do outro ao restante do sistema. É a parte da câmara onde a mistura de ar e vapor de etanol queima de forma estável e continua. A primeira seção cônica da área de combustão hospeda também a vela de centelha utilizada para iniciar a combustão, localizada na imediata vizinhança da rede metálica. Foi empregada uma vela de motor de aeromodelo, de dimensões reduzidas. O diâmetro e o comprimento da área cilíndrica de combustão foram estimados de

acordo com as equações (45) - (49), a partir dos dados de projeto listados na Tabela 5, que contém também os resultados do dimensionamento. A pressão de entrada da câmara foi fixada como compromisso entre o gasto energético da compressão do ar e o tamanho da câmara, que aumenta com a diminuição da perda de pressão de projeto. 𝑇_{𝑐𝑜𝑚𝑏} foi considerada um pouco maior do valor ambiente para tomar em conta o aquecimento devido à compressão do ar. A vazão de ar e o valor de 𝜆𝑐𝑜𝑚𝑏 foram escolhidos de acordo com os critérios mencionados no item 3.2.5. Foram também escolhidos valores de eficiência de combustão 𝜂_{𝑐𝑜𝑚𝑏} e temperatura mínima desejada dos gases de saída do combustor 𝑇_{𝑐𝑜𝑚𝑏,𝑚𝑖𝑛} considerados adequados.

A câmara de combustão foi construída em aço inox, utilizando para o corpo principal 200 mm de tubo de 3” de diâmetro externo e 2 mm de espessura de parede, o mais próximo às dimensões que foi encontrado no mercado. O desenho técnico da câmara de combustão projetada é mostrado no Anexo 7. Próximo da saída da câmara foram colocados um termopar e uma sonda lambda, um sensor utilizado para medir o valor real de 𝜆_{𝑐𝑜𝑚𝑏}: quando a mistura é pobre (𝜆_{𝑐𝑜𝑚𝑏} > 1), o sinal de tensão da sonda é cerca de 0; quando a mistura é rica (𝜆_{𝑐𝑜𝑚𝑏} < 1), o sinal tende a 1 V.

Tabela 5 - Dados de projeto e resultados do dimensionamento da área de combustão.

Parâmetro Símbolo Valor Unidade

Dados de projeto

Pressão na entrada da câmara de combustão 𝑝_{𝑐𝑜𝑚𝑏} 200 [mbar] Temperatura na entrada da câmara de combustão 𝑇_{𝑐𝑜𝑚𝑏} 30 [°C]

Vazão mássica do ar alimentada 𝑚̇_{𝑎𝑟,𝑐𝑜𝑚𝑏} 25 [Nl/min]

Relação entre razão etanol/ar estequiométrica e real 𝜆_{𝑐𝑜𝑚𝑏} 1,5 -

Eficiência da combustão 𝜂_{𝑐𝑜𝑚𝑏} > 98 %

Temperatura mínima dos gases de saída 𝑇_{𝑐𝑜𝑚𝑏,𝑚𝑖𝑛} 850 [°C] Resultados do dimensionamento

Diâmetro da câmara de combustão 𝑑_𝑡𝑐 60,26 [mm]

Comprimento da câmara de combustão 𝑙_𝑧𝑐 183,79 [mm] Temperatura máxima teórica dos gases de saída 𝑇𝑐𝑜𝑚𝑏,𝑚𝑎𝑥 1895 [°C]

4.2.4. Conversor CC/CC

A Tabela 6 contém os dados de projeto do conversor CC/CC e o dimensionamento teórico dos componentes das duas topologias consideradas para a realização do equipamento, com valores arredondados por excesso à unidade.

Tabela 6 - Dados de projeto e resultados do dimensionamento do conversor CC/CC. Dados de projeto

Parâmetro Símbolo Valor Unidade

Potência de entrada e saída 𝑃𝐶𝐶/𝐶𝐶 750 [W]

Frequência de chaveamento 𝑓_𝑐 30 [kHz]

Tensão de entrada máxima 𝑉_{𝑒,𝑚𝑎𝑥} 35 [V]

Tensão de entrada mínima 𝑉_{𝑒,𝑚𝑖𝑛} 15 [V]

Tensão de saída máxima 𝑉𝑠,𝑚𝑎𝑥 28 [V]

Tensão de saída mínima 𝑉_{𝑠,𝑚𝑖𝑛} 19,2 [V]

Oscilação de tensão máxima ∆𝑉 1 [V]

Indutância dos indutores 𝐿_𝐿1 = 𝐿_𝐿2 = 𝐿_𝐿3 20 [μH] Resultados do dimensionamento

Tipo Variável Buck-boost Boost+buck Unidade

Número do componente 1 2 3 1 2 3 -

Indutor

es L

Indutâncias 20 20 - 20 20 20 [μH]

Corrente máxima 108 58 - 31 31 46 [A]

Tensão máxima 63 63 - 35 35 28 [V]

Diodos

D Corrente máxima 108 - - 26 26 25 [A]

Tensão máxima 63 - - 28 28 35 [V] C apa cit ore s

C _{Capacitância (valor comercial) 470 470 470 430 430 62 [μF]}

Corrente máxima 108 108 108 31 31 47 [A]

Tensão máxima 63 63 63 35 35 35 [V]

Os dados de projeto foram fixados considerando na entrada um empilhamento de 30 pilhas (o SOFCMan NIMTE-A-STACK-301 escolhido para integração no sistema) e na

saída um banco de baterias de tensão nominal de 24 VCC (ver item 4.2.5 sobre a determinação da tensão). Como indicado no item 3.2.6, o valor das indutâncias foi mantido limitado para viabilizar a construção do conversor na prática (indutores de valor maior resultam em tamanho e peso excessivo).

Para avaliar o desempenho das topologias em termos de eficiência energética, indicada

com 𝜂_{𝐶𝐶/𝐶𝐶}, e de oscilação da corrente de entrada e saída, as duas alternativas foram

simuladas computacionalmente para diferentes valores do estado de carga das baterias (associados a diferentes níveis de tensão das mesmas) e uma potência produzida pelo empilhamento de 750 W, igual ao valor máximo de projeto. A eficiência elétrica é definida como razão entre a potência na saída (𝑃_𝑠) e na entrada (𝑃_𝑒) do conversor, de acordo com a equação (74):

𝜂_{𝐶𝐶/𝐶𝐶} = 𝑃_𝑠⁄ 𝑃_𝑒 (74)

Os resultados obtidos na simulação estão listados na Tabela 7.

Tabela 7 - Resultados da simulação em Matlab-Simulink dos conversores CC/CC.

Variável Buck-boost Boost+buck Unidade

Estado de carga

das baterias 1 25 50 75 99 1 25 50 75 99 [%]

𝜂_{𝐶𝐶/𝐶𝐶} 82,1 89,5 89,4 89,7 90,3 92,1 93,8 93,9 94 94,3 [%]

ΔI na entrada 560 600 730 740 750 10 50 50 50 50 [mA] ΔI na saída 14 11 10 10 11 0,6 2,5 2,5 2,5 2,5 [mA]

Como é possível ver nos esquemas da Figura 7 e da Figura 8, o conversor CC/CC boost+buck requer mais componentes que o buck-boost, necessitando de mais duas chaves, dois diodos e um indutor. Por outro lado, os componentes usados no conversor boost+buck precisam sustentar correntes e tensões máximas menores, como é possível verificar na Tabela 6. Consequentemente, pode-se esperar que o custo de produção das duas topologias não seja muito diferente, sendo a economia de componentes do buck-boost parcialmente compensada pelo maior custo de componentes que possam aguentar tensões e correntes maiores. No entanto, os resultados das simulações computacionais listados na Tabela 7 evidenciam como a opção boost+buck mostra-se superior à buck-boost, tanto do ponto de vista da eficiência energética, como do ponto de vista da redução das oscilações de corrente. Esse último aspecto resulta em

concordância com as informações da literatura, sendo mencionado como uma das principais vantagens da topologia interleaved [51, 52]. Ambos os fatores são de extrema importância no projeto do protótipo. De fato, a eficiência do conversor CC/CC tem uma forte influência sobre a eficiência total do sistema, dado que toda a energia elétrica produzida pelo empilhamento é convertida no dispositivo, sendo reduzida por conta das perdas no mesmo. Manter um baixo valor das oscilações de corrente na saída da PaCOS e na entrada das baterias é fundamental para garantir uma longa vida útil desses equipamentos, que representam as partes mais importantes e caras do protótipo. Em conclusão, a opção buck+boost, apesar de ser de construção mais complexa, é mais adequada para a aplicação e foi escolhida para a construção do conversor CC/CC [74]. O projeto completo de todos os detalhes e a realização prática do conversor foram executados em parceria com a Tracel Veículos Elétricos, empresa especializada em eletrônica de potência e parceira do Laboratório de Hidrogênio. Tomando em conta os resultados dos testes dos empilhamentos comerciais (ver item 4.3.1), foi decidido de não incluir no conversor o estágio buck inicialmente previsto. De fato, esse estágio seria necessário unicamente para diminuir gradativamente a tensão do empilhamento do nível de circuito aberto até o nível da bateria. A partir desse ponto, o estágio boost seria o único a funcionar, permitindo de baixar ainda mais a tensão do empilhamento. Todavia, os testes não evidenciaram particulares problemas pela PaCOS em descer rapidamente da tensão de circuito aberto até a tensão das baterias. Inclusive, esse rápido transiente seria aplicado somente após a inicialização do sistema, evento bastante raro no funcionamento prático de um microcogerador PaCOS em aplicações reais, sendo os transitórios de aquecimento e resfriamento demorados e associados com várias dificuldades operacionais (como é discutido na seção 5.3). O protótipo projetado foi então concebido para funcionar constantemente e como consequência, o estágio buck foi simplesmente substituído por um relé, controlado pelo software do sistema. Dessa forma, para iniciar a produção elétrica, foi suficiente fechar o relé, baixando instantaneamente a tensão do empilhamento ao nível das baterias. Essa solução, além de simplificar a topologia do conversor, permite aumentar a eficiência do mesmo, evitando as perdas relacionadas com a chave e o indutor no estágio buck. No Anexo 8 é mostrado o esquema elétrico do conversor, enquanto no Anexo 9 são mostrados frente e verso da placa realizada. No projeto foi incluída uma placa de amostragem (esquema no Anexo 10), utilizada para medir tensão e corrente na entrada e na saída do conversor.